Основные теоретические положения

Трехфазные трансформаторы имеют наиболее широкое применение в системах электроснабжения. Это связано с тем, что на электростанциях электроэнергия производится в виде системы трехфазного тока.

Трансформаторы, служащие для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем (на электростанциях, подстанциях и промышленных предприятиях, в городских и сельских сетях), называются силовыми.

Устройство трехфазных и однофазных трансформаторов, в целом, аналогично. На рис. 2.1 представлена наиболее широко распространенная конструкция активной части. На трех стержнях плоского магнитопровода расположены фазы обмоток ВН и НН с концентрическим относительным расположением.

Рис.2.1. Устройство активной части трехфазного двухобмоточного трансформатора

Выводы фаз обмоток ВН силового трехфазного трансформатора обозначаются прописными буквами: начала – А, В, С, концы – Х, Y, Z. Выводы фазных обмоток НН – строчными буквами: начала – а, в, с, концы – х, y, z (рис.2.1). В большинстве случаев фазные обмотки силовых трехфазных трансформаторов соединяются в звезду (Y) или треугольник (Δ), и в некоторых случаях – в зигзаг (Z) (рис.2.2,а-г). Наличие вывода нейтральной точки обозначается буквой «н»: Y_н, Z_н.

      а)                            б)                            в)                             г)

Рис.2.2. Схемы соединения фаз обмоток трехфазного трансформатора с группами «0» и «11»

Способы соединения в звезду и треугольник известны из курса электротехники (рис.2.2,а-в). При соединении в зигзаг каждая фаза обмотки разбивается на две одинаковые части («равноплечий» зигзаг), которые располагаются на разных стержнях (см. обмотку НН на рис. 2.2,г). Конец первой полуфазы на одном стержне соединен с концом второй полуфазы на другом стержне, начала вторых полуфаз обмотки соединены в одну общую потенциальную (нейтральную) точку. При таком соединении вторая полуфаза подключается по отношению к первой последовательно-встречно, обеспечивая в каждой фазной обмотке минимально возможную разность фаз (60^°) между ЭДС ее частей. При этом результирующая ЭДС фазы получается в  больше ЭДС полуфазы.

Обычно соединение в зигзаг с выводом нейтральной точки используется для вторичных обмоток НН (рис.2.2,г) трансформаторов распределительных сетей, преобразователей и др. Соединение в зигзаг можно рассматривать как разновидность соединения в звезду. В некоторых случаях оно имеет определенные преимущества, в частности, обладает большей устойчивостью к несимметричной нагрузке. Недостатком является то, что для создания одинакового напряжения соединенная в зигзаг обмотка должна иметь в  раз большее число витков по сравнении с обмоткой, соединенной в звезду, в связи с чем увеличивается расход обмоточного провода.

Условное буквенно-цифровое обозначение схем и групп соединения обмоток трехфазного трансформатора имеет следующую структуру: схема обмотки ВН ® схема обмотки НН ® группа, например: Δ/Y_н-11.

В системах электроснабжения предприятий в процессе эксплуатации в ряде случаев возникает необходимость в параллельной работе трансформаторов. Это может быть как кратковременная работа на период оперативных переключений, так и длительная, обусловленная технико-экономическими причинами. Для определения возможности включения силовых трансформаторов на параллельную работу необходимо знать сдвиг по фазе, который они вносят в преобразуемое напряжение, то есть, разность фаз между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединения обмоток. У параллельно работающих трансформаторов они должны быть одинаковы. В противном случае из-за разности фаз, обусловленной различием групп соединения, ЭДС вторичных обмоток не будут взаимно уравновешены, и по обмоткам трансформатора будет протекать недопустимо большой уравнительный ток, многократно превышающий номинальное значение. Это может привести к перегреву обмоток и выходу трансформаторов из строя.

Группой соединения обмоток трансформатора называют условное число, характеризующее сдвиг по фазе одноименных линейных напряжений обмоток ВН и НН. Это число, умноженное на 30^°, дает угол отставания в градусах векторов линейных напряжений обмотки НН по отношению к векторам соответствующих напряжений обмоток ВН. Группа соединения каждого силового трансформатора проверяется перед первым вводом в эксплуатацию или после ремонта.

Для определения группы соединения обмоток трехфазного трансформатора можно использовать мнемоническое правило – «часовой» метод, который проиллюстрируем примером. На рис.2.3,а-б представлены потенциальные векторные диаграммы фазных и линейных напряжений, построенные для схемы соединений обмоток Y/Z_н (рис. 2.2,г). Представим, что пара одноименных (например, U_AB и U_ab) векторов линейных напряжений обмоток являются жестко связанными минутной и часовой стрелками на циферблате стрелочных часов. Если вектор U_AB линейного напряжения ВН («минутная стрелка») установить на «12», то вектор U_ab одноименного линейного напряжения НН («часовая стрелка») укажет группу соединений обмоток трансформатора (рис. 2.3,в). 

    а)               б)                           в)             г)             д)

Рис.2.3 Определение группы соединений обмоток трехфазного трансформатора:
а,б,г – потенциальные диаграммы векторов ВН и НН при схеме соединений обмоток Y/Z_н; в,д) – определение группы «часовым» методом

Различные группы можно получить сочетанием схем соединения фаз обмоток, маркировки зажимов этих фаз по стержням трехфазного трансформатора и направлением намотки. Четные группы образуются при схемах соединения обмоток Y/Y_н, Δ/Δ, нечетные – при схемах Y/Δ, Δ/Y_н Y/Z_н и др.

В качестве примера рассмотрим, как изменится группа соединения Y/Z_н-11 (рис. 2.2,г) после циклической перемаркировки выводов обмотки НН по часовой стрелке: а, в, с ® в, с, а. При этом потенциальная диаграмма векторов НН будет иметь вид, показанный на рис. 2.3, г. Ее общий вид остается прежним, но соответственно новой маркировке меняется обозначение векторов и соответствующая этому обозначению фаза. Из сравнения диаграмм видно, что после перемаркировки «новоименованный» вектор U_ab (рис.2.3,г) поменял фазу на 120^° по часовой стрелке относительно прежнего одноименного вектора (рис.2.3,б), что приводит к изменению группы: Y/Z_н-3.

В соответствии с ГОСТ силовые трехфазные трансформаторы изготовляются с группами соединения обмоток 0 или 11: Y/Y_н-0; Y/Δ-11; Δ/Y_н-11, Y/Z_н-11 и др. Угол отставания векторов линейных напряжений обмотки НН по отношению к векторам соответствующих напряжений обмоток ВН для группы «0» составляет 0^°, а для группы «11» – 330^°.

Четные группы образуются при однотипных схемах соединения обмоток ВН и НН (Y/Y, D/D, Z/Z), а также D/Z; нечетные – при разнотипных (Y/D, D/Y и Y/Z). У основных групп катушки фаз ВН и НН с одинаковой маркировкой выводных зажимов располагаются на одних и тех же стержнях, у производных – на различных. Производные группы соединения обмоток можно получить из основных путем перемаркировки зажимов (без изменения порядка чередования фаз).

Однофазные трансформаторы могут принадлежать только к группам «0» или «6».

К основным паспортным данным силового трехфазного трансформатора относятся: номинальная полная мощность S _н[кBA]; номинальное высшее U _ВН [кB] и низшее U _НН [кB] напряжения; ток холостого хода I ₀и напряжение короткого замыкания U_к в процентах; мощность потерь холостого хода P ₀ (Вт) и короткого замыкания P _к(Вт); номинальная частота тока f _н=50 Гц; группа соединения обмоток трансформатора.